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五坐标高速铣削加工与编程的关键技术 | |
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数控高速切削制造技术促进了机械冷加工制造业的飞速发展，革新了产品设计概念，如通过采用整体件加工取代零部件的分项制造装配，提高了加工效率和产品质量，缩短了产品制造周期。高速切削加速了汽车、模具、航空、航天、光学、精密机械等产品的更新换代，加速了制造技术与装备的升级，推动了企业技术进步。但目前国内存在相当一部分高速机床因各方面的原因并没有达到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速电主轴因长期受重载荷或使用不当造成寿命低下，企业高速切削工艺参数库及CAD\CAM高速编程软件包造成高速切削应用不是很好，高速切削工艺流程与传统的工艺流程没有有机结合，没有充分发挥高速切削加工变形小、加工效率高、定位装夹少的优势。 高速铣削机床的特点，采用主轴运动结构实现载荷的平稳，减小工作台由于运动的惯性，尤其是当工作台承载较大时，工作台本身和工件的运动载荷对高速切削极容易引起冲击，机床结构的新颖性对高速切削有着重要的影响，传统机床依靠工作台移动实现机床的XY方向的移动不是很适合高速切削。高速机床有瑞士Mikron公司VCP710、美国Cincinnati公司HyperMach五轴加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德国Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐标加工中心、FIDIA公司D218五坐标加工中心等，其主轴转速及工作进给如表1所示。
1.高速铣削刀柄 由于高速切削时，主轴、刀柄及刀具在高速旋转情况下，较小的偏心就会产生较大的离心力，由振动引起产品的质量、降低主轴和刀具的使用寿命。常规的刀具刀柄系统难以满足高速切削时的切削刚度和精度要求。现阶段比较流行常用的高速刀柄系统主要有德国的HSK刀柄、美国KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均为1:10的锥度，采用主轴锥孔和刀柄端面过定位的方式，实现刀具的定位夹紧，其重复定位精度在传统7:24的锥度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用这种刀柄系统可以提高主轴刚度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且转速越高其锁紧力越大。但这种刀柄价格较贵，一般为常规刀柄的1.5～2倍，其最低转速小于KM刀柄。一般情况下，高速铣削时，刀具刀柄的不平衡力小于切削力时，不影响刀具的使用寿命和切削效率。 根据高速切削的动平衡规定，主轴转速至少要达到8000 r/min以上。其进给速度至少大于20m/min。50柄转速达到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄达到35000 r/min以上。由于高速铣削动平衡的要求，在配置高速铣削刀柄刀具时优先配置经过动平衡测试的刀具系统，其次用户可以自行采用动平衡机及调整系统进行动平衡调节，但其使用非常麻烦。美国Kennametal公司推出了一种通过调节主轴系统的自动平衡刀柄系统TABS刀柄，但目前应用还不广泛。为有效发挥高速切削的加工效率，在配置高速刀具夹持刀柄系统时显得非常重要，传统的弹簧夹头、螺钉连接刀柄已不能满足高速铣削夹持精度高、结构对称性好、传递扭矩大等要求，以下为作者总结的高速刀具及刀柄配置经验，其刀柄结构如图2所示。
其次、液压式刀柄是高精度、高性能的刀柄夹持柄，其回转精度、结构对称性和动平衡性能均较好，减振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用寿命，液压式刀柄以德国雄克公司的为典型代表，经过动平衡后转速可达到25000r/min。 第三、整体式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奥地利盘石的整体铝合金铣削刀柄，其结构主要是刀体和刀柄为一体，在经过动平衡测试调整后，再安装铣削刀片进行动平衡调节来满足高速铣削加工的需要，整体式刀柄尤其适合模具的高速粗加工和铝合金高速铣削。其转速一般可以达到10000～30000r/min之间。 最后、高速铣削应用精密弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄时，其转速由于本身结构的限制，一般难以达到20000 r/min，精密弹簧夹头刀柄一般可达到12000～15000 r/min，而侧固式刀柄则难以达到10000 r/min，在高速机床上尽量少用。
由于高速铣削对刀具刀柄要求较高，在购置高速刀具时尽量购置经过动平衡测试的刀具，常用的硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金刚石（PCD）在经过长时间磨损后，可应用于普通数控机床进行加工。另外一个方面由于高速切削的安全性，在进行工件加工时一定要注意加工防护，如40mm直径刀具，主轴转速达到30000r/min,其射出的速度可达到63m/s的速度，接近于230km/h的汽车速度，切削过程中如出现断刀摔出，势必有较大的冲击动量。同时对没有把握的刀具刀柄一定要经过高速动平衡仪测试出真实数据，方可进行产品加工。此外由于高速运转时，刀具的长度在高速环境下其刀具直径和长度与静态条件下有所差别，采用激光机内对刀仪可有效解决数控编程的刀具工艺参数的确定，因此在购置高速铣削机床时，配置激光机内对刀仪是不应少的选项，尤其在进行高精度产品的铣削加工时更能体现其优势。 高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼(CBN)与CBN复合刀具材料(WBN)等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。高速铣削时应针对相应的材料选择合适的刀柄和刀具材料，铝合金高速铣削时可优先选用采用镶刀片的整体刀柄。 三、五坐标高速铣削刀具轨迹设计 高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、刀具轨迹编辑优化功能、加工残余分析功能等。数控编程时应首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。国内外比较成熟适用于高速加工编程的有美国EDS公司UnigraphicsNX、英国DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron软件。 1.五轴刀具轨迹设计的关键点 在进行刀具轨迹设计之前，CAD三维模型的系统精度尽可能设置高一些，尤其是在不同的CAD系统之间进行模型转换时，优先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式进行数据转换，其次采用IGES格式进行数据转换，当使用IGES格式时，系统精度一般不应低于0.01mm，尤其在进行五轴高速切削精密零件时模型的精度、刀具插补精度对刀具轨迹的输出有着重要影响。 空间曲面轴加工涉及的内容比较多，尤其是五轴加工时更明显。进行五轴加工时涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有如图3所示的几种方式：
①Line :刀具轴的矢量方向平行于空间的某条直线形成的固定角度方式； ②Pattern Surface:曲面法向式为刀具轴的矢量时刻指向曲面的法线方向； ③From point：点位控制刀具轴的矢量远离空间某点；To point：刀具轴的矢量指向空间某点； ④Swarf Driver：刀具轴的矢量沿着空间曲面（曲面具有直纹性）的直纹方向发生变化；
⑤刀具轴矢量连续插补控制。从上述刀具轴的矢量控制方式来看，五轴数控铣削加工的切削方式可以根据实际产品的加工来进行合理的刀具轨迹设计规划。 UGII/Contour Milling三轴高速等高分层粗铣削时，刀具轨迹之间的圆弧过渡。高速铣削加工的支持：系统提供的等高分层加工应用于高速铣削场合，在转角处以圆角的形式过渡，避免90度急转（高速场合对导轨和电机容易损坏），同时采用螺旋进退刀，系统还提供环绕等多种方式支持高速加工刀具轨迹的生成策略。UGII/Variable Axis Milling可变轴铣削模块支持定轴和多轴铣削功能，可加工UGII造型模块中生成的任何几何体，并保持主模型相关性。该模块提供多年工程使用验证的3~5轴铣削功能，提供刀轴控制、走刀方式选择和刀具路径生成功能。刀具轴矢量控制方式、加工策略。UGII/Sequential Milling顺序铣模块可实现控制刀具路径生成过程中的每一步骤的情况、支持2~5轴的铣削编程、和UGII主模型完全相关，以自动化的方式，获得类似APT直接编程一样的绝对控制、允许用户交互式地一段一段地生成刀具路径，并保持对过程中每一步的控制、提供的循环功能使用户可以仅定义某个曲面上最内和最外的刀具路径，由该模块自动生成中间的步骤、该模块是UGII数控加工模块中如自动清根等功能一样的UGII特有模块，适合于高难度的数控程序编制。如图4所示分别为三轴联动与五轴联动加工刀具轨迹示意图及产品加工实物。
在进行五坐标加工编程时，加工策略划分对于产品质量是很重要的，尤其是复杂产品的数控编程时，要求更高。如下图对某整体叶轮进行五坐标高速铣削加工，其粗精加工铣削方式和刀具轨迹策略、粗精加工工序余量的合理安排、切削工艺参数加工步距、加工深度、主轴转速、机床进给等的选择对于提高产品的加工效率和质量是至关重要的。五坐标切削工艺参数的在经验基础上，针对不同的加工产品对象，对不同材料、刀柄刀具、切削方式可通过正交试验等方法进行科学试验、归纳总结选用。表2为某铝合金高速切削工艺参数及其加工情况对比。
如图5为某整体叶轮在FIDIA KR215五坐标高速铣削中心上，分别按照三轴铣削粗加工排量、五轴流道排量、五轴叶片精铣削、五轴流道精加工铣削的加工顺序对该产品进行切削及其产品加工实例。表2为不同切削工艺参数在高速切削铝合金时的对比情况。
1.五轴机床旋转刀具中心编程RTCP(Rotation Tool Centre Point) 五坐标机床及其加工编程，常用RTCP功能对机床的运动精度和数控编程进行简化，下面对RTCP（ Rotation Tool Centre Point 旋转刀具中心）编程进行简要说明。 非RTCP模式编程：为了编程五坐标的曲面加工，必须知道刀具中心与旋转主轴头中心的距离：这个距离我们称为转轴中心(pivot)。根据转轴中心和坐标转动值计算出X、Y、Z 的直线补偿，以保证刀具中心处于所期望的位置。运行一个这样得出的程序必须要求机床的转轴中心长度正好等于在书写程序时所考虑的数值。任何修改都要求重新书写程序。对于FIDIA C20数控系统G96 激活RTCP，G97 禁止RTCP RTCP模式编程：选件RTCP 的运行原理是当存在此选项时，控制系统会保持刀具中心始终在被编程的XYZ位置上。为了保持住这个位置，转动坐标的每一个运动都会被XYZ 坐标的一个直线位移所补偿。因此，对于其它传统的数控系统而言，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移；而对于FIDIA 数控系统（当RTCP 选件起作用时），是坐标旋转中心的位移，保持刀具中心始终处于同一个位置上。在这种情况下，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不需考虑转轴中心，这个转轴中心是独立于编程的，是在执行程序前由显示终端输入的，与程序无关。通过计算机编程或通过PLP 选件被记录的三坐标程序，可以通过RTCP 逻辑，以五坐标方式被执行。对于这种特殊的应用方法，必须要求使用球形刀具。这些转动坐标的运动，可以通过JOG 方式或通过手轮来完成，所以在某些加工条件下，允许所使用的刀具，其长度值小于用于三坐标加工的刀具。
后置处理最重要的是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。通用后置处理程序是在标准的刀位轨迹以及通用的CNC系统的运动配置及控制指令的基础上进行处理。它包含机床坐标运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控程序格式变换及数控程序输出等方面的内容。只有采用正确的后置处理系统才能将刀位轨迹输出为相应数控系统机床能正确进行加工的数控程序，因此编制正确的后置处理系统模板是数控编程与加工的前提条件之一。后处理的主要内容包括三个方面的内容： ①数控系统控制指令的输出：主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、程序头尾输出等方面的控制。 ②格式转换：数据类型转换与圆整、字符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等方面的控制。 ③算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速度控制。 五轴数控机床的配置形式多样，典型配置有绕X轴和Y轴旋转的两个摆动工作台，其二为主轴绕X轴或Y轴摆动，另外的工作台则相应绕Y轴或X轴摆动来构造空间的五轴联动加工。对于主轴不摆动的五轴数控机床，其摆动轴存在主次依赖关系，即主摆动轴（Primary Table）的运动影响次摆动轴（Secondary Table）的空间位置，而次摆动轴的运动则不影响主摆动轴的空间位置状态。如图7所示为常见五坐标机床运动配置形式。
五、基于Vericut五坐标高速铣削机床运动模拟 由于五坐标高速铣削加工时，刀具轨迹比较复杂，且加工过程中刀具轴矢量变化控制频繁，尤其是在进行高速切削时，刀具运动速度非常快，因此在进行实际产品加工前，进行数控程序的校对审核是非常必要的。由于五坐标联动高速切削其程序量大，许多程序采用手工的方法或者在CAM软件里进行模拟是难以有效的检查数控程序和机床的实际输出是否存在问题。采用Vericut软可以很好的节省校对时间，进行真实的模拟加工，Vericut软件非常真实的模拟机床加工过程中的干涉、过切、进退刀等状况，尤其能很好的模拟五轴加工及其RTCP功能。Vericut提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2～5轴联动的铣削和钻削加工. UGII/Vericut 切削仿真模块是集成在UGII软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。由于省去了试切样件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。UGII/Vericut可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易的检查出不正确的加工情况。作为检验的另一部分，该模块还能计算出加工后零件的体积和毛坯的切除量。UGII中的数字模型可直接传输到Vericut软件中，进行模拟，包括毛坯、产品、数控刀具轨迹与刀具等数字信息。图9为UGNX环境下提供的Vericut接口界面，图10所示为进行某整体叶轮机床加工时在Vericut软件中的模拟情况，为保证该产品的质量提供了较好的检测过程。
本文从高速铣削加工中心的刀柄系统、五坐标高速铣削的刀具轨迹设计、数控编程后处理程序开发、高速铣削切削工艺参数的合理选择、五坐标高速铣削机床加工运动模拟等方面的关键技术及其应用进行了简单介绍，希望对读者有所借鉴作用。
【1】Unigraphics NX Help 【2】数控加工编程的理论基础，刘雄伟，机械工业出版社，2000 |
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